你完全可以理解量子信息（15）| 袁嵐峰

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導讀

目前量子密碼術的安全傳輸距離紀錄是404公里。如何在更長的距離上實現量子保密通信？科學家們提出了兩條技術路線。一條技術路線是，在地面上每隔一段距離加一個中繼器。另一條技術路線是，用衛星作中繼器。開創量子互聯網，將是中國對世界的重大貢獻。

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前文參見： 你完全可以理解量子信息（1） | 袁嵐峰

你完全可以理解量子信息（2-3） | 袁嵐峰

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你完全可以理解量子信息（11-12）| 袁嵐峰

你完全可以理解量子信息（13）| 袁嵐峰

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十五、量子密碼術的工程成果

以上是量子密碼術的基本原理。為了把這些原理付諸實踐，還有大量的工程技術性質的問題。

舉個例子，BB84協議要求A每次只發一個光子。但實際的單光子光源效率很低，用它會導致成碼率非常低，比如說幾百年才能生成一個位元組的密鑰。絕大多數實驗用的是效率高的激光光源，但激光不是嚴格的單光子，有一定的幾率在一個脈衝中出現多個光子，這就給竊聽者留下了可乘之機。

原則上，竊聽者E可以在遇到單光子時攔截下來不讓通過，在遇到多個光子時拿走一個，讓其餘的光子通過。通信雙方難以分辨光子的減少是來自竊聽還是來自信道的自然損耗，於是在他們公布a和b序列之後，E就知道了該用什麼基組去測量自己偷走的這些光子，然後就可以得到密鑰。這一招叫做「光子數分離攻擊」。

實際上，對經典通信竊密的基本思路也是一樣的：從大量的信號中偷走一部分，讓通信方無法察覺。許多影視作品中有類似這樣的情節：相距遙遠的兩地之間的通信是通過一根巨大的光纜實施的，竊聽者知道這條光纜經過某棟建築，就把這棟建築租下來，在裡面布置設備，從光纜上分走了一部分信號。

量子密碼術之所以要用單光子，妙處正在於此。回顧一下本文開頭「量子」的概念就能理解，單個光子已經是最小的單元了，所以竊聽者無法只偷一部分。

實驗條件的種種不完美之處，會給量子密碼術的安全傳輸距離設置一個上限，超過這個距離就可能泄密。在量子密碼術最初的實驗中，傳輸距離不到1米。到21世紀初，安全傳輸距離提高到了10公里的量級。但由於上述的激光不是單光子的問題，安全傳輸距離無法提高到20公里以上。當時許多科學家認為這項技術已經到頭了，對它失去了興趣。

光子數分離攻擊

然而，2003-2005年，韓國科學家黃元瑛（Hwang W. Y.）和中國科學家王向斌、羅開廣等人想出了一種巧妙的辦法，就是前面提到的「誘騙態協議」。激光光源發射的光子數有一定的分布，發射許多光脈衝就相當於發射一些單光子脈衝、一些多光子脈衝和一些零光子脈衝（也就是沒發）。在脈衝的平均光子數小於1時，誘騙態方法可以使得實驗等效於只用單光子脈衝。對於量子密碼術的安全性而言，這相當於把實際的不完美的光源變成了完美的單光子源。

克服了這個重要障礙以後，量子密碼術的安全傳輸距離開始迅猛增長，不斷刷新紀錄。自那以來，大多數紀錄都是中國科學技術大學的實驗團隊創造的。

對量子密碼術的另外一類攻擊是在探測器上，實際體系中大部分漏洞來自於此。例如，原則上用強激光照射接收器可以將其「致盲」，然後就可以控制它，欺騙通信者。為此，人們又發明了安全性與測量儀器無關的量子密鑰分發技術。這個新技術是中國科學技術大學潘建偉團隊率先實現的，被評為2013年全球物理學十大進展和2014年中國十大科技進展之一。

2016年8月16日，墨子號量子衛星上天時，光纖中的安全傳輸距離已經超過了200公里。2016年11月，中國科學技術大學、清華大學、中科院上海微系統與信息技術研究所、濟南量子技術研究院等單位合作，又把安全傳輸距離提高到了404公里，而且在102公里處的安全成碼率已經足以保證安全的語音通話。也就是說，間隔102公里的量子保密電話已經是在技術上可行的了。

幾百公里的範圍，對於一個城市內部的通信來說是夠用了，我國確實在合肥、蕪湖、北京、上海、濟南等地建設了實驗性的量子政務網。但對於城市之間、國家之間甚至大洲之間的通信，幾百公里的距離遠遠不夠。也就是說，單憑光纖的話，量子密碼術就好比以前的「小靈通」，只能在一個城市內部用。要實現從小靈通到手機的跨越，還需要另闢蹊徑。

如何在更長的距離上實現量子保密通信？科學家們提出了兩條技術路線。

一條技術路線是直截了當容易想到的，每隔一兩百公里加一個中繼器。

跟BB84協議的原理相比，量子密碼中繼器的原理真是簡單到爆。如果你看前者看得雲里霧裡，請放心，下面這一段你肯定能看懂。

假設我們有一串節點，記作1號、2號、3號……，最後是N號。先在1號和2號之間建立量子通信，產生一個密鑰，記作k1。然後在2號和3號之間建立量子通信，產生一個密鑰，記作k2。2號把k1作為待傳輸的明文，用k2對它加密，傳輸給3號。3號同樣把k1傳輸給4號，4號把k1傳輸給5號，……一路把k1傳輸給N號。最後1號把真正要傳輸的信息用k1加密，用任意的通信方式傳給N號，就完成了。Give me five！

如果你要問，帶中繼的量子密碼術安全性如何？回答是：這取決於你跟誰比。好比你問，關羽的武力怎麼樣？那麼跟呂布比和跟顏良比，答案完全不同。（顏良：我招誰惹誰了？）

跟兩點之間直接連接的量子密碼術相比，安全性是下降了。因為現在所有的N個節點都知道密鑰k1，你必須守住中間的N-2個中繼器，任何一個中繼器被敵方攻破都會泄密。

但是跟經典通信比，安全性還是要高得多。因為在經典通信中，漫長的通信線路上每一點都可能泄密，每一點你都要防禦，這是個令人望而生畏的任務。現在你只需要防守明確的N-2個節點，防線縮短了很多，安全性自然大大提升。

我國已經基本建設好了量子保密通信「京滬幹線」，過不久也許你就會聽到它正式開通的消息。京滬幹線實際做的事情，就是在北京、濟南、合肥、上海的內部量子網路的基礎上，通過幾十個中繼節點把它們連接起來。這樣，就可以在兩千公里的範圍內，實現量子保密通信。

量子保密通信京滬幹線

有趣的是，對京滬幹線最熱心的不是科學家，而是金融系統的用戶。中國工商銀行等若干金融機構已經在試用量子密碼術了，不過由於安全傳輸距離的限制，只能在一個城市內部使用。如果能在城際使用，對銀行顯然大有好處，可以開展很多以前不能開展的業務。因此，在推動京滬幹線的建設上，這些銀行比香港記者跑得還快！

另一條技術路線，就玩得大了，玩到天上去了：用衛星作中繼器。

用衛星作中繼器，優點是顯而易見的：比如說衛星這個時刻在中國上空，下個時刻在歐洲上空，那麼就可以實現中國和歐洲之間的量子保密通信。將來建成20顆衛星的星座，就可以覆蓋全球。

衛星量子通信示意圖

但困難也是顯而易見的：以前光子的傳輸都通過光纖，現在什麼介質都不用，而且一個光脈衝只能發一個光子，這樣的「自由空間傳輸」能收到信號嗎？還有，衛星跟地面處於高速的相對運動之中，把雙方的探測器對準，是天地之間的「針尖對麥芒」，精度相當於「在五十公里以外把一枚一角硬幣扔進一列全速行駛的高鐵上的一個礦泉水瓶里」（請一口氣念完這個句子！）。以這麼高的對準精度，接收弱得不能再弱的光信號（真的不能再弱了，再弱就什麼都沒有了），這是多麼大的挑戰！

明知山有虎，偏向虎山行。「墨子號」量子科學實驗衛星就是做這件事的，而且做成了。

關於第一個問題，自由空間傳輸其實完全是可行的。光子在真空中基本沒有損耗，所以只需要考慮在大氣層中的損耗就行了。而在某些波段，光子穿過10公里厚的大氣層只損耗20%。所以在同樣相距上千公里的情況下，自由空間傳輸的效率比光纖高得多，前者只有一小部分距離（大氣層）有損耗，後者每一寸光纖都實打實地有損耗。2012年，中國科學技術大學潘建偉團隊就在青海湖的湖心島實現了百公里級的雙向量子糾纏分發和量子隱形傳態，驗證了量子通信衛星的可行性。

青海湖湖心島的百公里級量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗

關於第二個問題，星地對準的控制難度雖然高，但也在當代技術的能力範圍之內。墨子號發射之後，已經多次跟地面站實現了對準。星地對準不是用生成密鑰的那個單光子來做的，而是用另外的信標光。你不可能看見單光子，因為這個單光子如果進了你的眼睛，就不會被探測器收到了。你看到的紅色和綠色的光，是信標光。

由此，墨子號出人意料地繁榮了我國的藝術舞台，成就了一場星空攝影師的狂歡。他們通過重疊曝光等手段製作了很多精美的藝術照片，鼓舞大家仰望星空，治好了許多人的頸椎病。下面這張照片是新華社的記者在興隆站拍攝的，紅光和綠光分別是地面站和衛星的信標光，背景是群星運動的軌跡，即「星軌」。藝術和科技結合，美不勝收！

星軌背景下墨子號量子衛星與興隆站用信標光對準

墨子號是世界第一顆量子科學實驗衛星，科學目標包括三大實驗，即星地之間的量子密鑰分發、量子隱形傳態和量子糾纏分發。

2017年6月，中國科學技術大學潘建偉、彭承志等人在《科學》雜誌上發表文章，宣布在國際上率先實現了千公里級的星地雙向量子糾纏分發，並以此為基礎對量子力學的基本原理進行了實驗檢驗（檢驗的結果，自然是「量子力學還是對的」）。2017年8月，他們又在《自然》雜誌上發表文章，在國際上首次實現了從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態。至此，墨子號的三大科學目標提前並圓滿實現。

量子隱形傳態實驗示意圖

有了以上的背景知識，你就可以看明白報道中的科學術語和技術指標了：「墨子號」量子衛星過境時，與河北興隆地面光學站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個數量級（萬億億倍）。衛星上量子誘騙態光源平均每秒發送4000萬個信號光子，一次過軌對接實驗可生成300 kbit的安全密鑰，平均成碼率可達1.1 kbps。

最後，無論是哪條技術路線，地面中繼器還是衛星中繼器，都是未來的量子保密互聯網的重要的基礎設施，就像通信網路對於互聯網一樣。網路的本質特徵之一就是「邊際收益遞增」，即網路中已有的用戶越多，新用戶得到的好處就越大。建好基礎設施，有了足夠多的用戶，用戶的創造性就會迸發，奇蹟就會創造出來，這是網路發展的一般規律。

30年前，20年前，甚至10年前，都沒有人預見到互聯網今天的樣子，自媒體、網上購物、移動支付等創新超越了所有人的想像。可以預期，這一幕在量子保密網路中也將重演。開創量子互聯網，將是中國對世界的重大貢獻。

（未完待續）

背景簡介：本文作者為袁嵐峰，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室副研究員，科技與戰略風雲學會會長，微博@中科大胡不歸，知乎@袁嵐峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。本文應新浪科技之邀，2017年8月31日以《<科學大家>| 4萬字乾貨！你完全可以理解量子信息》為題發表於新浪科技「科學大家」欄目（http://tech.sina.com.cn/d/2017-08-31/doc-ifykpysa2199081.shtml）。

致謝：感謝中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室陳宇翱教授、陳騰雲博士、彭新華教授、陸朝陽教授、張強教授、張文卓博士和清華大學交叉信息研究院尹璋琦博士、物理系王向斌教授在科學內容方面的指教。

責任編輯：郭尖尖

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